当有氧生命开始在地球上繁衍生息的时候，氧气显然是一个重要的先决条件。最初人们以为，地球的氧气供应始于光合生物，也就是说，植物和藻类这样的光合生物才能产生氧气。

通常认为，世界各地的海底生态系统的存在依赖于海面洋流携带的氧，从表层输送到深部的。大部分氧都来自北大西洋，通过“全球传送带”被输送到世界各地的深海。

然而，一组国际研究团队发现，在光无法到达的海底，似乎也能产生氧气。发表在《自然·地球科学》上的研究认为，海面之下数千米的深海海底的金属矿物质能够产生“暗氧”，也许可以支持那些在黑暗环境中依赖氧气生存的海洋生物。他们还利用电化学实验解释了这一惊人的发现。

这挑战了人们长期以来的假设，也让我们应该重新审视有关生命起源和进化的谜团，比如需氧生命究竟是从哪里开始的？

海底多金属结核

团队在对克拉里昂-克利珀顿区进行了多次考察，研究这里的海底生态系统。这片区域包含沿太平洋东北延伸数千千米的海底脊，位于夏威夷和墨西哥之间，是开采富含金属结核的潜在目标。

在考察中，他们会释放一个沉入海底的模块，进行自动化的实验。模块会在海底“封存”一部分海水，并在数天时间里测量封存的海水中氧浓度的变化情况。通常，舱内的氧浓度应该慢慢下降。他们先前在南大洋、北冰洋、印度洋和大西洋进行研究中都观察到了这种情况。

但在克拉里昂-克利珀顿区进行海底取样时发现，溶解氧传感器反常地显示，氧不仅没有被消耗，反而在被生产出来。研究人员起初以为是传感器设备出了问题，导致读数错误。他们在下一次考察前重新校准了仪器。但反复几次，读数都出现了类似的异常。

于是，团队开发了另一种测量溶解氧的备用方法，它的工作原理与先前使用的光电传感器不同。然而出乎意料的是，这两种方法得出了相同的结果，产生的氧量并不小。也就是说，在数千米下暗无天日的太平洋洋底，可能还存在着人们还不知道的另一种氧来源。

他们注意到，这一发现的核心很有可能是多金属结核。这是一种可以在海底形成的天然矿床，包含多种矿物质，大小不等，从微颗粒到一个土豆那么大都有。先前调查过的区域都没有多金属结核，而在太平洋下的这片广阔海底生态系统则遍布着富含金属的结核。

可能的解释

科学家开始讨论氧的来源的可能解释。产生氧气的多金属结核含有钴、镍、铜、锂和锰等金属，这些也是电池中用到的关键元素。

一些从海底采集的多金属结核被运到了实验室，并在实验室中重现了海底条件。氧一开始会从这些金属结核的表面产生。他们的测试认为，产生速率似乎与结核的平均表面积有关。但到了一定程度后就停止了。这可能是因为驱动水分子分裂的能量被耗尽了。

这就留下了能量从何而来的问题。如果结核本身就像电池一样，通过化学反应产生能量，那么早就应该耗尽了。但是，如果这些结核起到的是催化剂的作用，或许可以分解水而形成氧。

他们想知道，深海的多金属结核是否能带来足够的电力分解海水。实验发现，仅仅略高于1.5伏电压就足以分解海水，这种电压和普通AA电池的电压差不多。令人惊讶的是，团队在单个结核表面某些点之间记录下的电压高达0.95伏。

实验室中对结核的研究。（图/Camille Bridgewater，Northwestern University）

他们认为，在某些条件下，比如多个结核聚集在一起时，电压可能会更大，就像很多节电池连在一起那样，从而创造出条件分解海水。换言之，研究似乎发现了一种天然的“地球电池催化剂”，这是一种可以解释海底“暗氧”产生的可能依据。

神秘的深海过程

我们对深海还知之甚少，这只是我们刚刚发现的深海中诸多过程之一。我们对这种反应的细节还不完全清楚。比如，这种反应是否也会产生分子氢（由于催化剂的存在，这在工业电解槽反应中会发生），或者释放水中的质子，同时把多余电子转移到其他地方。

从更大的方面来说，在这些结核富集区的生态系统中，海底动物的多样性甚至比最多样化的热带雨林还要高。大量生物生活在结核上，利用它们坚硬的表面作为立足点，也可能是为了获取那里产生的氧气。目前还不清楚生活在底层沉积物中的生物是否也依赖于这种氧气来源。

然而，这些结核含有宝贵的矿物质，因此已经成为采矿的目标。一些大型矿业公司目前正致力于从数千米深的海底开采这些稀有的元素。研究人员一致认为，采矿业在计划深海采矿活动之前应该慎重考虑如何开采，避免耗尽深海生物可能的氧气来源。

参考来源：

https://news.northwestern.edu/stories/2024/july/deep-ocean-floor-produces-its-own-dark-oxygen/?fj=1

https://www.sciencenews.org/article/seafloor-metal-nodules-deep-sea-oxygen

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02393-7

封面图&首图来源：NOAA Ocean Exploration